采矿前沿结课论文--

1、采矿前沿结课论文姓名：班级：采矿1101班学号：1111104007指导老师：李海洲矿井突水与数字矿山研究与进展摘要：矿山行业在数字化方面的发展不容乐观, 信息化建设的总体水平不高, 没有形成企业信息化决策和矿业信息产业化发展的规模优势, 信息基础设施落后, 可共享的信息量少, 信息流向单一而无序, 严重地影响了矿山企业的市场竞争与可持续发展能力。关键词：采矿 技术 突水 数字正文：随着矿山开采的规模不断扩大，深度不断增加，出现的技术难题越来越多，而矿山突水又是矿山事故中比较常见的，对矿山人员安全以及矿井内材料设备产生很大的危险。对于国内的突水研究，已经取得了一定的进展。数字矿山是一个相对较为

2、新兴的矿山方面研究，但正在越来越被重视起来。其实数字矿山就是一个矿山范围内的以三维坐标信息及其相互关系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入我们所获得的信息的总称。下面分别进行论述：一、目前顶板突水及水灾害防治研究存在的问题 1、顶板突水机理 地下开采后岩层和土层的隔水性可能受到影响。隔水层位于垮落带内时，其隔水性将完全被破坏；隔水层位于裂隙带内时，其隔水性也被破坏，破坏的程度由裂隙带的下部向上部逐渐减弱，隔水层位于覆岩弯曲带下部时，其隔水性可能受到微小影响；隔水层位于覆岩弯曲带中部或上部时，其隔水性不受采动影响。从岩层破坏程度来讲，垮落带和裂缝带可统称破裂带或破坏影响带

3、，弯曲带称为非破坏影响带。在煤矿水文地质学上，将采动破坏的顶板垮落带、裂隙带统称为导水裂隙带或渗透性增强带，而弯曲带称为渗透性微小变化带。 采矿活动对上覆水体的影响有两方面：一是上覆岩层的移动和破坏，形成了充水通道，使水体中的水渗透和溃入井下，影响矿井的安全生产；二是地表的移动、变形与破坏，使地表水体的附属建筑物受到影响，如堤坝下沉量很大或断裂时，河湖中的水就要出槽漫流。水体下采煤的重点之一就是要分析开采后覆岩冒落带和导水裂隙带对水体的影响，通常所说的“两带高度”即是垮落带和裂隙带的高度。下面将重点介绍一下导水裂隙带高度的确定方法： (1)经验公式 在建筑物、水体

4、、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中，根据煤层的倾角和煤层覆岩岩性分别列出了两种计算公式。经验公式法概念明确，简单易求，但每个矿区的具体地质条件、采矿条件、采煤方法皆不同，所以一般这个经验公式得出的结果只能作为参考数据，需结合其它方法来综合判定。 (2)物理模拟 可以模拟开采煤层开采时的覆岩破坏过程，覆岩破坏特征和规律，并且重点模拟在不同覆岩特性、不同开采煤厚、断层活化时情况下的覆岩破坏规律和高度，得到导水裂隙带发育高度及其计算方法，与上述经验公式得到的结果对比，修正模型。 (3)数值模拟 数值模拟法主要包括有限元法和离散元法，其中有限元法是迄今为止

5、在应力和变形方面最为成熟的方法之一。 刘红元等在研究采动影响下覆岩垮落的动态发展过程中，应用自行开发的岩层破断过程分析系统（RFPA），模拟了开挖后岩梁悬露在重力作用下发生离层、弯曲、沉降、端部和中部开裂直至冒落的全过程，再现了采动影响下覆岩破坏的动态发展过程。并且为了验证数值模拟的正确性，也做了相似材料模拟，两种方法相比较，结果相似。  近年来发展起来的快速拉格朗日分析（FLAC）法已被程序化、实用化，其基本原理类同于离散单元法。美国Itasca公司开发的FLAC-2D软件，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析，对于煤层开采时的顶板应

6、力分布状态能直观的反映出来，能很好的揭示顶板破坏过程及开采临近断层时对断层的扰动情况，从而对断层煤柱的合理留设起到重要的指导意义。新集矿将此法应用于导水裂隙带高度预测中，也取得了较为满意的效果。 (4)现场实测 现场实测是确定导水裂隙带的主要途径，其他的方法都是辅助手段。为了验证现场实测的结果，可以结合物理模拟或者数值模拟的结果相比较，减少误差。现场实测法主要有注水试验法、高密度电阻率法、超声成像法、声波CT层析成像法等。 现行的各种计算公式是在总结了大量的实际资料的基础上，归纳出的经验公式，具有一定的代表性，但是如何利用计算结果来判断顶板是否突水，不能单从导水裂

7、隙带是否沟通了含水层来判断，应结合煤层上覆岩层的具体地质条件加以分析。 2、顶板突水的影响因素 煤层顶板突水是应力场与渗流场共同作用导致围岩破坏的结果，因此在分析其突水条件时，应从含水层特性、顶板岩体特性及原岩与采动应力场特征三个方面进行分析和研究。 (1)基本因素分析 含水层的特性包括岩层的储水性能，导水性能和压力水头。压力水头的大小决定了水对顶板岩体破坏的程度。压力水可以使岩层中原生裂隙扩展、张开，并冲刷裂隙中的充填物，弱化裂隙的粘结力，而含水层的储水性能与导水能力的大小又直接决定了压力水穿透上覆岩层的补给状况。若含水层导水性能与储水性能良好，则压力

8、水的补给速度高，一旦发生突水，其突水量与危害是很大的，相反，若含水层导水性能与储水性能弱，即使发生突水，突水量与危害也小。 (2)决定因素分析 顶板岩层条件包括各岩层的渗透性、岩层的强度和厚度，特别是岩层的裂隙发育情况和分布特征。岩层的渗透性与厚度直接决定了含水层水的越流能力，当岩层渗透性极低时，它对含水层的水起到了很好的阻隔作用，这就是所谓的隔水层。岩层的强度及裂隙发育与分布情况直接决定了顶板岩层在应力场与渗流场作用下抵抗变形的能力。当岩层强度较低，即使在较低的应力及水压作用下，也同样发生破坏，从而使岩层的导水性能急剧提高，发生突水灾害，反之则不然。若岩层中含有垂直的裂隙

9、，当采动使顶板岩层卸压时，裂隙宽度增加，致使裂隙的渗透性能急剧增大，也易于发生突水。 (3)控制因素分析 采场顶板围岩系统所受的原始应力场、采动应力场构成了顶板突水的控制因素。当煤层未被采动时，空隙、裂隙等均处于闭合状态，含水层中的水处于相对平衡状态。当煤层开采后，顶板悬露，围岩由三向受压转变为二向或单向受压，甚至部分岩体出现拉应力，而导致破坏，极大地增高了其渗透性能，从而导致突水事件。 总而言之，影响顶板突水的因素是多方面的，不仅与含水体本身的水体类型、特征、赋存条件有关，而且还与煤层顶板各隔水岩层的水文地质条件、地层结构及采矿地质条件有关，因此应综合各方面对其

10、进行分析研究。 3、顶板突水预测预报方法研究 在突水水量预测方面，现场常用的方法是类比法和大井法，有的学者采用了统计学方法、力学平衡和能量平衡方法，并在研究、验证、预测突水量的数学模型研究方面做出了大量工作。中国矿业大学的武强等提出了解决煤层顶板突水灾害定量评价的“三图一双预测法”，即顶板直接充水含水层的富水性分区图，顶板冒落安全性分区图，顶板突水条件综合分区图以及回采工作面整体和分段工程涌水量预测、顶板直接含水层采前预疏放方案预测，其中突水条件综合分区图是由富水性和冒落安全性分区图复合叠加而成的；营志杰等利用矿井地质工作方法及矿井直流电法分析了顶板潜在突水构造对安全生产的

11、影响程度；底青云等利用高分辨V6系统对矿山顶板突水隐患进行预测，通过该系统使得矿体中的溶洞、断层、含水破碎带以及可能的与含水层的联系在成果图上反映的非常清晰，为矿山顶板突水隐患的治理提供了一份明确的资料；陈朝阳等根据各含水层典型水样的化学资料，用判别分析方法建立顶板突水的水源判别模型，以指示测试突水点水样来自哪个含水层和给出归属该含水层的概率；洪雷等利用最大效果测度值法对燕子煤矿工作面突水水源及成因进行了研究；马广明等利用井下直流电法与红外测温技术预测回采工作面顶板隐伏含水区；煤炭科学研究总院西安研究院郑纲以东滩煤矿十四采区为例，采用模糊聚类分析法预测顶板砂岩含水层突水量；刘小松、张海荣等基于

12、GIS对东滩煤矿顶板突水进行了预测预报，从建立突水的概念模型到运用Gls的手法进行建模并得出最终结果；周笑绿、杨国勇等将稳定涌水量通过比拟方法换算为最大突水量的近似计算方法对东滩矿三煤顶板突水量进行了预测；山东大学的李树忱等进行了矿井顶板突水模型试验多场信息的归一化处理方法，通过这个方法发现渗透压力、视电阻率和应力信息是较为理想的突水预报信息源，渗透压力在突水前很长时间就出现异常波动，视电阻率和应力在突水发生前会突然增大，且视电阻率的变化早于应力的变化中国，以此来对矿井突水进行有效地预测；矿业大学的秦轲等利用岩性地震反演方法来评价煤层突水的危险性。国外动态预测软件Zone Budge

13、t对预测精度要求较高的回采工作面的整体和分段工程涌水量动态预测问题的研究，具有一定优势。4、顶板水防治技术方法研究 从顶板水的防治角度出发，主要考虑两种情况：一是上覆水体（或强含水层）水量大、压力高，开采活动不能波及，此时顶板水以防为主，防止上覆水体大量涌入井下；二是顶板突水量不太大并且矿井排水能力及相应措施满足要求，此时顶板水防治先预计突水量，然后根据突水量大小设计实施排水工程，制定防治水措施，避免顶板水在工作面产生积聚而影响正常生产。 矿井顶板水的防治需要做好以下几点：对煤层顶板突水因素进行分析和预测；留设防水煤（岩）柱；对顶板水进行超前疏干；注浆截流；改变采煤技术。根

14、据防治水的“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原则，坚持“防、堵、疏、排、截”5项综合治理措施。建立全方位的安全监控体系和相应的安全保障系统，做到有效预测，及时救援，尽可能降低顶板突水造成的损失。 经过长期的工作实践和理论认识，我国在矿井水害防治方面，已有了比较成熟的技术和措施，如疏干降压、帷幕截流、带压开采、坑内防排水、注浆堵水、突水预测和探放水等。众多的矿井水研究者已经提出和使用了各具特色的顶板水防治理论，如丰城矿务局的陈福生等利用高抽巷疏放顶板水，利用瓦斯预抽的高抽巷疏放顶板含水层，以解决水体下被压煤层的安全开采；淮北矿业集团的张立标等采用“大井法”使顶板含水层的水位降

15、至其底板，相邻区段煤层顶板含水层水同时被疏放，为工作面采掘生产消除了隐患，达到防治水的目的；河南煤业化工集团等大马会华等创新性的用建筑垃圾粉来控制顶板富含水层突水，既使得顶板水得到控制，改善了掘进面工作环境，提高了掘进进尺，保证采掘接替和矿井安全，同时又极大地降低了注浆成本；西安科技学院的毛明仓采用矿井直流电法探测顶板构造水技术，探测煤矿工作面顶板隔水层厚度、隔水层内潜在突水通道的空间位置及含水层富水性分布规律，该技术能科学地指导顶板水害防治工作，保障煤矿生产安全。 二、数字化矿山关键技术及当前任务1、我国矿山信息化建设概况 矿山行业在这方面的发展却不容乐观, 信息化建设的总体水平不高, 没有

16、形成企业信息化决策和矿业信息产业化发展的规模优势, 信息基础设施落后, 可共享的信息量少, 信息流向单一而无序, 严重地影响了矿山企业的市场竞争与可持续发展能力。我国矿山企业信息化建设大体处在以下3 个层次上:第1 层次“无路无车”。处于这个层次上的矿山企业既没有起码的计算机网络设施, 又没有可共享的“硅质信息资源”使得这类矿山企业在激烈变化的市场竞争中和在以信息为主导的知识经济面前无所适从。第2 层次“有路无车”。没有形成符合本企业实际的软件体系; 企业基础信息的采集、整理、处理与利用工作做的很不够, 没有建立本企业统一的大型基础数据库(数据仓库) , 网络上可共享的数据寥寥无几, 结果造成

17、资源的极大浪费, 信息建设的投入也见不到实效, 影响企业决策者继续投入的兴趣和信心。第3 层次“车货不一”。合理地处理了资金投入比例。 但由于缺少全局性统筹规划, 各矿在软件选型和数据格式方面各自为战,出现了“车”型不一、“货”规不同的局面。 各矿的信息化水平是提高了, 但全局的整体信息化水平并没有得到大的提升。2、数字矿山的关键技术 DM 的理论研究与战略实施, 必须围绕以下9 项关键技术进行攻关。Ø 矿山数据仓库技术针对矿山信息的“五性四多” (复杂性、海量性、异质性、不确定性和动态性, 多源、多精度、多时相和多尺度) 特点, 为统一管理和共享数据, 必须研究一种新型的数据仓库技

18、术,包括矿山数据分类组织、分类编码、元数据标准、高效检索、快速更新与分布式管理。 其中, 研究提出一种适合多源异质矿山数据集成与共享、且独立于应用软件与数据模型的数据组织结构为当务之急。Ø 矿山数据挖掘技术由于矿山空间信息的“五性四多”特点, 为了从矿山数据仓库中快速提取专题信息, 发掘隐含规律, 认识未知现象和进行时空发展预测等, 必须研究一种高效、智能、透明、符合矿山思维、基于专家知识的数据挖掘技术。Ø 真3DGM 与可视化技术只有通过真3DGM对钻孔、物探、测量、传感、设计等数据进行过滤和集成, 并实现动态数据维护(局部快速更新、修改、补充等) , 才能对三维地层环境

19、、矿山实体、采矿活动、采矿影响等进行真实的、实时的真3D 的可视化再现、模拟与分析。Ø 矿山3D 拓扑建模与分析技术矿山信息的拓扑空间查询、分析与应用及许多采矿安全问题的模拟、分析与预测等, 均以矿山3D 实体的属性、几何与拓扑数据的统一组织为基础。 因此, 必须立足矿山3D 数据的矢栅集成, 尽快攻克矿山3D 拓扑描述、表达、组织与动态维护这一技术难题。Ø 井下多媒体通讯与无线传输技术在矿井通信方面, 除宽带网络之外, 如何快速、准确、完整、清晰、实时地采集与传输矿山井下各类环境指标、设备工况、人员信息、作业参数与调度指令等数据, 并以多媒体的形式进行地面- 井下双向、无

20、线传输, 也是有待改进的技术问题。Ø 智能采矿机器人“班组”技术在矿山自动化方面, 要突破过去关于采矿机器人的个体行为方式, 要从群体协同的角度, 从采矿设备整体与整个作业流程中的自动控制、协调、适应、保护、调整、修复甚至再生的角度, 去理解、研究和设计新一代智能化采矿机器人“班组。Ø 矿山3S , OA , CDS（指挥调度系统） 五位一体技术为实现全矿山、全过程、全周期的数字化管理、协作、指挥与调度, 必须基于矿山GIS 对矿山信息统一管理与可视化表达, 无缝集成自动化办公(OA) 和指挥调度系统(CDS);并集成RS 和GPS 技术, 真正做到从数据采集、数据处理、数据融合、设备跟踪、动态定位、过程管理、流程优化到调度指挥的全过程一体化。3、 数字矿山建设当前的任务（1）建立企业级共享的MGIS 办公系统建立企业(集团公司) 级中心数据库, 统一管理全企业的基础数据和各矿山的重要生产数据, 并确定数据在流动共享过程中的访问与使用权限; 结合矿山特点和办公需求, 开发便于矿山工程技术与管理人员使用的业务化办公MGIS 系统, 提供多种功能模块, 满足矿山日常生产和办公决策的需求; 进行使用人员培训, 提高各级使用MGIS 进行自动化办公的人员的素质, 使MGIS 真正成为矿山企业日常办公的必备工具;